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基于μCLinux的USB驅動程序實現(xiàn)
摘要: 介紹了基于Blackfin ADSP-BF533開發(fā)板,,在μClinux環(huán)境下USB芯片F(xiàn)T245BL驅動程序的設計與加載。簡述了設備驅動程序開發(fā)的過程,,并給出了讀函數(shù)和中斷函數(shù)的實例,,說明了在μiClinux下如何添加FT245BL驅動程序的方法,實現(xiàn)了DSP主板的USB端口通信,。
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  μCLinux是針對嵌入式控制領域的操作系統(tǒng),,它繼承了Linux內核的絕大部分特性,專為沒有內存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設計,。它內核小,,效率高,源代碼開放,,包含了完整的TCP/IP網絡協(xié)議,。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數(shù)字信號處理器芯片。 Blackfin系列是ADI與Intel聯(lián)合開發(fā)的體現(xiàn)高性能體系結構的首款第四代DSP產品,,16位定點DSP內核,,新型指令結構,支持C/C++編程,,主頻達600 MHz,內核電壓1.2 V,,具有動態(tài)電源管理能力,,功耗低,擴展能力強,,被廣泛應用于各種信號處理,。

  這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開發(fā)板,在對外通信時需用到USB接口。結合實際情況,,選擇FTDI公司推出的USB芯片FT245BL,。主要介紹USB芯片F(xiàn)T245BL的工作原理和電路設計,以及如何在μClinux操作系統(tǒng)下編寫和添加其驅動程序的方法,。

  1 FT245BL工作原理與電路設計

  傳統(tǒng)USB芯片要求設計人員對USB的標準,、Firmware編程及驅動程序的開發(fā)等有較深入的理解,工作量大,,開發(fā)周期長,,需要經驗豐富的設計者才能完成;而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd.)公司推出的USB芯片F(xiàn)T245BL集成了微控制器,,并且把實現(xiàn)USB通信協(xié)議的固件程序直接固化在芯片中,,同時提供了PC端的沒備驅動程序,用戶只需進行必要的硬件設計和簡單的軟件編程,,所以大大降低了開發(fā)難度,。

  1.1 功能結構

  FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數(shù)據傳輸?shù)腢SB芯片,對于微處理器它提供8位并行數(shù)據總線D0~D7,,對于外部主機是標準串行總線或虛擬接口,,其數(shù)據傳輸速率最高可達1 MB/s,提供USBl.1/2.O規(guī)范的全速物理接口,,支持UHCI/OHCI/EHCI主控制器,。

  FT245BL芯片的內部系統(tǒng)結構框架圖如圖1所示,芯片主要由3.3 V穩(wěn)壓器,、USB收發(fā)器,、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進先出(FIFO)控制器,、6 MHz振蕩器,、8×倍頻器、USB鎖相環(huán),、復位器,、E。PROM接口等構成,。其內部設置了2個FIFO數(shù)據緩沖區(qū),,一個是128 B的接收緩沖區(qū);一個是384 B的發(fā)送緩沖區(qū),。串行接口引擎用來完成USB數(shù)據的串/并雙向轉換,;USB協(xié)議引擎用于管理來自USB設備控制端口的數(shù)據流,實現(xiàn)USB主機控制器需要的 USB底層協(xié)議,。

FT245BL芯片的內部系統(tǒng)結構框架圖

  1.2 工作原理

  DSP與FT245BL接口框圖如圖2所示,。主板CPLD用AMS[0:3]和高5位地址線(A19~A15)進行譯碼,;FT245BL的TXE和RXF 信號在查詢地址有效時,通過DSP讀取其狀態(tài),,判斷是否發(fā)送數(shù)據或接收數(shù)據,;TXE用于判斷發(fā)送FIFO是否滿,0為不滿,,1為滿,,當TXE為0時,外部 DSP向發(fā)送FIFO緩沖區(qū)寫數(shù)據,,直到發(fā)送數(shù)據全部寫入,;RXF用于判斷接收FIFO是否有數(shù)據,只要數(shù)據個數(shù)≥1,,RXF就為低,,通知DSP可以讀取數(shù)據。FT245BL的RD和WR信號在讀寫地址有效時,,分別與DSP的ARE和AWE相連,,DSP可以讀取接收數(shù)據和寫入發(fā)送數(shù)據。

DSP與FT245BL接口框圖

  1.3 電路設計

  FT245BL芯片使用主板上的3.3 V和5 V電源供電,,主板對外作為一個USB設備,。USB總線的電源線連接在芯片的復位引腳RESET上,這樣保證了USB芯片平時處于復位狀態(tài),。

  當USB總線連接到主機時,,電源線變高,RESET變高,,最終導致RSTOUT變高,,由于USBDP引腳配置了一個1.5 kΩ的上拉電阻連到RSTOUT引腳,使得芯片以全速狀態(tài)連接到主機,。FIFO控制器接口包括8位數(shù)據線D7~D0,、讀RD、寫WR,、發(fā)送使能TXE,、接收完畢RXF的5個信號。由于FT245BL芯片沒有片選線,,所以信號都是經過主板CPLD內部的譯碼電路處理后才連接的,。DSP采用中斷機制讀取 FIFO的數(shù)據,所以將RXF連接DSP的可編程端口(PF3),,用以產生中斷,。

  2 FT245BL驅動程序的編寫

  這里以ADI公司的ADSP-BF533為例,介紹USB接口芯片F(xiàn)T245BL在μClinux下驅動程序的編寫,。依據FT245BL芯片的結構和接口設計,,決定將其作為字符設備來開發(fā)它的驅動程序。所用開發(fā)平臺的硬件結構如下:

程序

  2.1 確定設備的設備名稱和主設備號

  主設備號是內核識別不同類型設備的惟一標識,,內核利用主設備號將設備與相應的驅動程序對應起來,。開發(fā)新的驅動程序,必須找到一個還未被使用的主設備號,,分配給自己的字符設備,。主設備號的確定可以通過兩種方法:一是靜態(tài)定義;二是動態(tài)分配,。該驅動采用的是靜態(tài)主設備號,,在ft245b1.C文件中直接定義設置為254,#define ft245bl_major 254,。

  2.2 確定編寫需要的file-operations數(shù)據結構中的功能函數(shù)

  該驅動文件ft245b1.C中定義的file_operations數(shù)據結構:

程序

  2.3 設備的注冊與注銷

  設備驅動在調用前必須首先向系統(tǒng)注冊,,這時就執(zhí)行加載函數(shù)static int_init FT245BL_init(void)。該函數(shù)的核心語句是 register_chrdev(ft245bl_major,,F(xiàn)T245BL_DEV,,&ft245bl_fops)字符注冊函數(shù)。其中,,ft245bl_major是設備驅動向系統(tǒng)申請的主設備號,;FT245BL_DEV是USB設備的名稱;ft245bl_fops是之前定義為 file_operations數(shù)據結構的各個功能函數(shù)的文件指針,。該函數(shù)返回值為0,,表示注冊成功;返回-INVAL,,表示申請的主設備號非法,;返回 -EBUSY,表示該設備號正在使用,。設備注冊成功后,,設備名會出現(xiàn)在系統(tǒng)的/proc/devices文件中。

  設備有注冊就有卸載,,卸載字符設備需要調用函數(shù)unregister_chrdev(ft245bl_major,,F(xiàn)T245BL_DEV),參數(shù)有主設備號和設備名兩個,,USB退出驅動,,用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數(shù)。

  2.4 編寫相應的功能函數(shù)

  對于每一個設備驅動程序來說,,都有一些與此設備密切相關的功能函數(shù),,通常對于塊設備或者字符設備來說,都存在著諸如打開,、關閉,、讀,、寫這一類的操作。當進行系統(tǒng)調用時,,將自動地使用驅動函數(shù)中特定的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作,。打開函數(shù)open()主要完成以下操作,即檢查設備錯誤(諸如設備未就緒或相似的硬件問題),,如果是首次打開,,則初始化設備;讀取次設備號,;分配和填寫要放在file→private-data內的數(shù)據結構,;增加使用計數(shù)。讀函數(shù) read()用來從外部設備中讀取數(shù)據,,當其為NULL指針時,,將引起read()系統(tǒng)調用返回-EINVAL(“非法參數(shù)”)。函數(shù)返回一個非負值表示成功地讀取了多少字節(jié),。寫函數(shù)write()向外部設備發(fā)送數(shù)據,,如果沒有這個函數(shù),返回一個-EINVAL,;如果返回值非負,,就表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。當設備被關閉時調用release()這個操作,,有時也稱為close(),。它應該完成以下操作:使用計數(shù)減1;釋放open分配在 file→rivate-data中的內存;在最后一次關閉操作時關閉設備,。下面是FT245BL驅動程序讀函數(shù)read()的實現(xiàn):

程序

  讀取函數(shù)ft245bl_read通過判斷USB芯片RXF管腳的狀態(tài)來處理接收到的數(shù)據,,如果RXF為0,表示接收緩沖區(qū)(RX FIFO)中至少有1個數(shù)據,,處理器讀取一個數(shù)據后重新回到判斷,;如果RXF為1,表示芯片沒有接收到數(shù)據,,這時程序啟動中斷等待事件函數(shù) wait_event_interruptible,,內核從USB設備驅動中釋放出來,運行其他程序,,直到有新的數(shù)據到來時,,內核首先執(zhí)行中斷處理函數(shù) ft245bl_rx_handler,將中斷標志位irqflag置1,,喚醒等待隊列ft245bl_waitqueue,,然后再回到讀取函數(shù)中繼續(xù)運行。

  2.5 中斷處理

  設備驅動程序通過調用中斷申請函數(shù)申請中斷,,其格式為:

程序

  函數(shù)調用成功返回0值,,返回-INVAL表示中斷號超出范圍或者handler=NULL,;返回-BUSY表示中斷已經被占用且不能共享。其中,,handler是中斷處理子程序指針,,中斷產生時自動調用該函數(shù);參數(shù)irq為中斷號,;pt_regs為中斷發(fā)生之前寄存器的映像,很少使用,;irqflags控制中斷行為,。irqflags=SA_INTER-RUPT表示它在運行時將禁止所有的中斷;irqflags=SA_SHIRQ 表示共享此中斷處理程序,;devname為設備名稱,;dev_id用于支持中斷的共享,它將作為第2個參數(shù)傳遞給中斷處理函數(shù),,可以利用它來傳遞一些必要的信息,。該中斷處理程序如下:

程序

  3 實現(xiàn)驅動程序的加載

  驅動程序可以按照兩種方式編譯:一種是靜態(tài)編譯進內核;另一種是編譯成模塊以供動態(tài)加載,。該設備驅動程序采用靜態(tài)編譯進μCLinux內核,。下面以在嵌入式μClinux系統(tǒng)中需新增一個USB字符型設備FT245BL為例,介紹設備驅動程序的添加的一系列步驟,。

  3.1 配置相關信息

  首先,,將編寫好的驅動程序復制到μClinux系統(tǒng)的文件目錄中。新建ft245bl目錄統(tǒng)一管理USB設備的驅動文件包括C文件,、頭文件,、編譯文件、配置文件,,存放于目錄μClinux-dist/linux-2.6.x/drivers/char/下,,在ft245bl下新建Makefile,并在下面兩個編譯文件中添加編譯指令:

 

程序

  在ft245bl下新建配置文件Kconfig,,添加驅動名FT245BL_DRIVER,、菜單選項名稱USB ft245bl Driv-er、菜單有效選項DRIVER_FT245BL及驅動說明,,代碼如下:

程序

  第1項是μClinux系統(tǒng)為設備驅動創(chuàng)建的驅動文件名及所在目錄,;第2項是設備類型;第3項是設備驅動文件的權限,;第4,,5項分別為用戶ID和組ID;第6,,7項為主設備號和次設備號,;第8,,9,10項分別為次設備號的起始號碼,、增量和數(shù)量,。

  3.2 編譯驅動程序

  在/home/μClinux/μClinux-dist目錄下運行make menueonfig進行配置,在字符設備選項中可以看見剛剛添加的FT245BL Driver選項,,選中它,。通過make的一系列編譯,所有內核和應用程序源代碼將被編譯,,編譯結束后將產生二進制文件uImage,。

  3.3 加載驅動程序

  這里的BF533主板中數(shù)據存儲器SDRAM大小為32 MB,地址為0~Ox02000000,;異步存儲區(qū)BootFLASH大小為4 MB,,地址為0x20000000~0x203FFFFF。在/home/μClinux/μClinux-dist運行指令下,,把uImage文件拷貝到/svr/tftp目錄,,tftp是一個簡單的ftp下載:

cp images/uImage/svr/tftp

  打開超級終端μClinux,接通目標板電源或按復位鍵,,目標板上的u-boot自動啟動,,通過超級終端的串口輸入命令:

  到此,在μClinux中添加設備驅動程序的工作已經完成,。

  4 結 語

  介紹了基于Blackfin ADSP-BF533開發(fā)板,,在μClinux環(huán)境下USB芯片F(xiàn)T245BL驅動程序的設計與加載。簡述了設備驅動程序開發(fā)的過程,,并給出了讀函數(shù)和中斷函數(shù)的實例,,說明了在μiClinux下如何添加FT245BL驅動程序的方法,實現(xiàn)了DSP主板的USB端口通信,。

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